深入瞭解Golang中的Slice底層實現

2023-02-27 06:00:03

1 Go陣列

Go陣列是值型別，陣列定義的時候就需要指定大小，不同大小的陣列是不同的型別，陣列大小固定之後不可改變。陣列的賦值和傳參都會複製一份。

func main() {
    arrayA := [2]int{100, 200}
    var arrayB [2]int

    arrayB = arrayA

    fmt.Printf("arrayA : %p , %vn", &arrayA, arrayA)
    fmt.Printf("arrayB : %p , %vn", &arrayB, arrayB)

    testArray(arrayA)
}

func testArray(x [2]int) {
    fmt.Printf("func Array : %p , %vn", &x, x)
}

結果：

arrayA : 0xc4200bebf0 , [100 200]
arrayB : 0xc4200bec00 , [100 200]
func Array : 0xc4200bec30 , [100 200]

可以看到，三個記憶體地址都不同，這也就驗證了 Go 中陣列賦值和函數傳參都是值複製的。尤其是傳參的時候把陣列複製一遍，當陣列非常大的時候會非常消耗記憶體。可以考慮使用指標傳遞。

指標傳遞有個不好的地方，當函數內部改變了陣列的內容，則原陣列的內容也改變了。

因此一般引數傳遞的時候使用slice

2 切片的資料結構

切片本身並不是動態陣列或者陣列指標。它內部實現的資料結構通過指標參照底層陣列，設定相關屬性將資料讀寫操作限定在指定的區域內。切片本身是一個唯讀物件，其工作機制類似陣列指標的一種封裝。

切片（slice）是對陣列一個連續片段的參照，所以切片是一個參照型別。這個片段可以是整個陣列，或者是由起始和終止索引標識的一些項的子集。需要注意的是，終止索引標識的項不包括在切片內。切片提供了一個與指向陣列的動態視窗。

給定項的切片索引可能比相關陣列的相同元素的索引小。和陣列不同的是，切片的長度可以在執行時修改，最小為 0 最大為相關陣列的長度：切片是一個長度可變的陣列。

切片資料結構定義

type slice struct {
    array unsafe.Pointer
    len   int
    cap   int
}

切片的結構體由3部分構成，Pointer 是指向一個陣列的指標，len 代表當前切片的長度，cap 是當前切片的容量。cap 總是大於等於 len 的。

如果想從 slice 中得到一塊記憶體地址，可以這樣做：

s := make([]byte, 200)
ptr := unsafe.Pointer(&s[0])

3 建立切片

3.1 方法一：make

使用make函數建立slice

// 建立一個初始大小是3，容量是10的切片
s1 := make([]int64,3,10)

底層方法實現：

func makeslice(et *_type, len, cap int) slice {
    // 根據切片的資料型別，獲取切片的最大容量
    maxElements := maxSliceCap(et.size)
    // 比較切片的長度，長度值域應該在[0,maxElements]之間
    if len < 0 || uintptr(len) > maxElements {
        panic(errorString("makeslice: len out of range"))
    }
    // 比較切片的容量，容量值域應該在[len,maxElements]之間
    if cap < len || uintptr(cap) > maxElements {
        panic(errorString("makeslice: cap out of range"))
    }
    // 根據切片的容量申請記憶體
    p := mallocgc(et.size*uintptr(cap), et, true)
    // 返回申請好記憶體的切片的首地址
    return slice{p, len, cap}
}

3.2 方法二：字面量

利用陣列建立切片

arr := [10]int64{1,2,3,4,5,6,7,8,9,10}
s1 := arr[2:4:6] // 以arr[2:4]建立一個切片，且容量到達arr[6]的位置，即cap=6-2=4,如果不寫容量則預設為陣列最後一個元素

4 nil和空切片

nil切片的指標指向的是nil

空切片指向的是一個空陣列

空切片和 nil 切片的區別在於，空切片指向的地址不是nil，指向的是一個記憶體地址，但是它沒有分配任何記憶體空間，即底層元素包含0個元素。

最後需要說明的一點是。不管是使用 nil 切片還是空切片，對其呼叫內建函數 append，len 和 cap 的效果都是一樣的

5 切片擴容

5.1 擴容策略

func main() {
    slice := []int{10, 20, 30, 40}
    newSlice := append(slice, 50)
    fmt.Printf("Before slice = %v, Pointer = %p, len = %d, cap = %dn", slice, &slice, len(slice), cap(slice))
    fmt.Printf("Before newSlice = %v, Pointer = %p, len = %d, cap = %dn", newSlice, &newSlice, len(newSlice), cap(newSlice))
    newSlice[1] += 10
    fmt.Printf("After slice = %v, Pointer = %p, len = %d, cap = %dn", slice, &slice, len(slice), cap(slice))
    fmt.Printf("After newSlice = %v, Pointer = %p, len = %d, cap = %dn", newSlice, &newSlice, len(newSlice), cap(newSlice))
}

輸出結果：

Before slice = [10 20 30 40], Pointer = 0xc4200b0140, len = 4, cap = 4
Before newSlice = [10 20 30 40 50], Pointer = 0xc4200b0180, len = 5, cap = 8
After slice = [10 20 30 40], Pointer = 0xc4200b0140, len = 4, cap = 4
After newSlice = [10 30 30 40 50], Pointer = 0xc4200b0180, len = 5, cap = 8

Go 中切片擴容的策略是這樣的：

如果切片的容量小於 1024 個元素，於是擴容的時候就翻倍增加容量。上面那個例子也驗證了這一情況，總容量從原來的4個翻倍到現在的8個。

一旦元素個數超過 1024 個元素，那麼增長因子就變成 1.25 ，即每次增加原來容量的四分之一。

5.2 底層陣列是不是新地址

不一定。當發生了擴容就肯定是新陣列，沒有發生擴容則是舊地址

不管切片是通過make建立還是字面量建立，底層都是一樣的，指向的是一個陣列。當使用字面量建立時，切片底層使用的陣列就是建立時候的陣列。修改切片中的元素或者往切片中新增元素，如果沒有擴容，則會影響原陣列的內容，切片底層和原陣列是同一個陣列；當切片擴容了之後，則修改切片的元素或者往切片中新增元素，不會修改陣列內容，因為切片擴容之後，底層陣列不再是原陣列，而是一個新陣列。

所以儘量避免切片底層陣列與原始陣列相同，儘量使用make建立切片

range遍歷陣列或者切片需要注意

func main() {
	// slice := []int{10, 20, 30, 40}
	slice := [4]int{10, 20, 30, 40}
	for index, value := range slice {
		fmt.Printf("value = %d , value-addr = %x , slice-addr = %xn", value, &value, &slice[index])
	}
}

結果：

value = 10 , value-addr = c00000a0a8 , slice-addr = c000012360
value = 20 , value-addr = c00000a0a8 , slice-addr = c000012368
value = 30 , value-addr = c00000a0a8 , slice-addr = c000012370
value = 40 , value-addr = c00000a0a8 , slice-addr = c000012378

從上面結果我們可以看到，如果用 range 的方式去遍歷一個陣列或者切片，拿到的 Value 其實是切片裡面的值拷貝。所以每次列印 Value 的地址都不變。

由於 Value 是值拷貝的，並非參照傳遞，所以直接改 Value 是達不到更改原切片值的目的的，需要通過 &slice[index] 獲取真實的地址

尤其是在for迴圈中使用協程，一定不能直接把index,value傳入協程，而應該通過引數傳進去

錯誤範例：

func main() {
	s := []int{10,20,30}
	for index, value := range s {
		go func() {
			time.Sleep(time.Second)
			fmt.Println(fmt.Sprintf("index:%d,value:%d", index,value))
		}()
	}
	time.Sleep(time.Second*2)
}

結果：

index:2,value:30
index:2,value:30
index:2,value:30

正確範例：

func main() {
	s := []int{10,20,30}
	for index, value := range s {
		go func(i,v int) {
			time.Sleep(time.Second)
			fmt.Println(fmt.Sprintf("index:%d,value:%d", i,v))
		}(index,value)
	}
	time.Sleep(time.Second*2)
}

結果：